En los últimos años, se han propuesto muchos diseños exitosos de atenuador de impactos utilizando diferentes materiales y geometrías. Los cuales son diseñados con el propósito de absorber la mayor cantidad de energía en un choque mediante una combinación entre deformación plástica y colapso, disminuyendo los esfuerzos que son trasmitidos a la estructura principal del vehículo y las consecuentes aceleraciones sobre el piloto.
Los materiales y geometrías utilizadas para este tipo de estructuras abarcan un amplio espectro, desde estructuras realizadas en materiales ferrosos y no ferrosos, hasta materiales compuestos de altas prestaciones como fibra de carbono y Kevlar, siendo las geometrías de gran variedad y complejidad, dependiendo de los materiales utilizados y la tecnología para su correspondiente construcción. Por consiguiente en este trabajo se estudiará una estructura colapsable construida en aluminio y de geometrías sencillas, ya que lo que se busca es obtener resultados de simulaciones y ensayos los cuales permitan validar las simulaciones realizadas.
Para ello inicialmente se establecerá cual es el diseño más adecuado desde el punto de vista de la performance del mismo así como de su complejidad constructiva. Definida la estructura, se procederá a abarcar dos ramas principales, de las cuales inicialmente se establecerá un diseño numérico con sus correspondientes simulaciones utilizando el software de elementos finitos Abaqus, para posteriormente realizar, la construcción y ensayo de la estructura en estudio.Publicado en Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión. La Plata : Universidad Nacional de La Plata, 2015.Facultad de Ingenierí

Menghini, Matías

Mundo, Luis M.

Tamburi, Damián Leandro

Spanish

El Servicio de Difusión de la Creación Intelectual

3ras Jornadas ITE -  2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP
2015 - Año Internacional de la Luz19 Departamento de Aeronáutica
DISEÑO Y VALIDACION DE SISTEMA DE ATENUACION DE IMPACTO 
MEDIANTE ESTRUCTURA COLAPSABLE 
Matías Menghini, Luis Mariano Mundo, Damián Leandro Tamburi 
UID – GEMA, Departamento de Aeronáutica, Facultad de Ingeniería de La Plata 
Calle 48 y 116 La Plata. CP 1900. Contacto: matias.menghini@ing.unlp.edu.ar 
INTRODUCCIÓN
 En los últimos años,  se han propuesto muchos diseños exitosos de atenuador de 
impactos utilizando diferentes materiales y  geometrías. Los cuales son diseñados con el 
propósito de absorber la mayor cantidad de energía en un choque mediante una combinación 
entre deformación plástica y colapso, disminuyendo los esfuerzos que son trasmitidos a la 
estructura principal del vehículo y las consecuentes aceleraciones sobre el piloto. 
 Los materiales y geometrías utilizadas para este tipo de estructuras abarcan un amplio 
espectro, desde estructuras realizadas en materiales ferrosos y no ferrosos, hasta materiales 
compuestos de altas prestaciones como fibra de carbono y Kevlar, siendo las geometrías de 
gran variedad y complejidad, dependiendo de los materiales utilizados y la tecnología para  su 
correspondiente construcción. Por consiguiente en este trabajo se estudiará una estructura 
colapsable construida en aluminio y de geometrías sencillas, ya que lo que se busca es obtener 
resultados de simulaciones y ensayos los cuales permitan validar las simulaciones realizadas. 
Para ello inicialmente se establecerá cual es el diseño más adecuado desde el punto de vista 
de la performance del mismo así como de su complejidad constructiva. Definida la estructura,  
se procederá a  abarcar dos ramas principales, de las cuales inicialmente se establecerá un 
diseño numérico con sus correspondientes simulaciones utilizando el software de elementos 
finitos Abaqus, para posteriormente realizar, la  construcción y  ensayo  de la estructura en 
estudio. 
DESARROLLO DEL TRABAJO 
Selección de diseños  
 Según el reglamento de la Fórmula SAE, para la que se pretende diseñar el elemento 
absolvedor de impacto, se requiere frenar una masa de 300 Kg que impacta a una velocidad de 
7 m/s verificando no superar una aceleración pico de 40 gs y una media de 20 gs. 
 Como ya se mencionó la filosofía de diseño abarca distintos materiales y geometrías 
posiblemente utilizables. En este caso se optó por utilizar aluminio como material y variar la 
geometría para poder encontrar la que cumpla con el requerimiento. Por consiguiente se 
procedió a realizar distintos modelos de elementos finitos variando la geometría para poder 
hallar cuantitativamente cual es el diseño que cumpla de la mejor manera los requerimientos. 
 A continuación se presentan varias de las alternativas analizadas. 
Configuración 1: Espesor de los tubos: 0,5mm. 
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2015 - Año Internacional de la Luz20 Departamento de Aeronáutica
Configuración 2: Espesor de la chapa: 0,5mm. 
Configuración 3: Espesor de la chapas: 0,3mm. 
Configuración 4: Espesor de la chapas: 0,3mm. 
Configuración 5: Espesor de la chapas: 0,3mm. 
              Finalmente, con el objetivo de verificar el modelo FEM respecto del ensayo se optó por 
utilizar la configuración 2 debido a que es la más sencilla de fabricar. 
 Posteriormente se realizó la simulación para la condición de ensayo, la cual consiste en 
modelar el impacto de un péndulo con una determinada masa, el cual se detalla en las 
siguientes secciones. Cabe destacar que, tanto la simulación como el ensayo mencionados en 
los siguientes apartados se realizan sobre un absolvedor a escala del determinado para el 
impacto del vehículo de formula SAE ya que lo que pretende en estos primeros análisis es 
validar el modelo de elementos finitos realizado frente al respectivo ensayo. 
Metodología 
Metodología del cálculo numérico 
  Se presenta el modelo de elementos finitos confeccionado para simular la situación de 
ensayo, este tiene en cuenta el atenuador de impacto junto con la estructura que lo contiene y 
un péndulo de 20 Kg que impactará sobre estos. A continuación se detallan las 
consideraciones tenidas en cuenta en el modelado del problema. 
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Geometría 
 Como ya se mencionó consiste en el atenuador en estudio, el cual fue modelado 
utilizando elementos placa por su característica de espesor delgado, la estructura sobre la cual 
se encuentra vinculado el atenuador, la cual se modeló utilizando elementos viga ya que 
consiste en una estructura de barras. Y el péndulo de impacto el cual fue modelado utilizando 
elementos viga para el brazo y una placa rígida discreta la cual impacta con el atenuador. Las 
siguientes figuras presentan la geometría del modelo. 
Geometría del modelo 
Tipo de análisis 
 Como el caso en estudio tiene en cuenta fenómenos dinámicos y posee una alta no 
linealidad en la geometría a medida que progresa el impacto del péndulo se opta por realizar 
un análisis del tipo "Dinámico Explícito" en el que se tiene un período de tiempo de 0,2 
segundos de análisis. Las carga utilizadas solo son la aceleración de la gravedad para el 
péndulo. 
 Las condiciones de borde utilizadas en el modelo son de restricción de todos los grados 
de libertad en los nudos posteriores de la estructura soporte y restricción de todos los grados 
de libertad con excepción de la rotación alrededor del eje x para el anclaje del péndulo. A su 
vez se colocó una velocidad inicial en el centro de la placa de impacto de 4,95 m/s, equivalente 
a la que tendría si se soltara desde una altura de 1,2 metros de altura. 
Metodología experimental 
 El ensayo consistió en impactar la estructura en estudio mediante el sistema 
pendulante, para evaluar la respuesta de la estructura, el sistema utilizado consistió en un 
péndulo de 1,2 metro de longitud, el cual se liberó en todos los casos  desde una altura de 1,2 
metros. Al sistema se lo instrumentó mediante el uso de acelerómetros y celdas de cargas, a su 
vez se filmó mediante el uso de cámaras de alta velocidad a una  tasa de  420FPS y 1000 FPS. 
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2015 - Año Internacional de la Luz22 Departamento de Aeronáutica
 Los impactos se realizaron con diferentes masas que variaron desde los 40 Kg hasta 
los 20 Kg, esta variación en la masa del péndulo se implementó para ver la respuesta del 
atenuador en estudio y de la estructura soporte donde se encontraba vinculado dicho 
atenuador. 
Dispositivo de impacto. 
RESULTADOS
Resultados Experimentales 
 La posibilidad de poder utilizar una cámara de alta velocidad facilita la tarea de 
comparar el comportamiento experimental de la estructura con el obtenido numéricamente con 
el modelo de elementos finitos. 
 Se analiza el ensayo en el cual se utiliza como elemento de impacto una masa del 
péndulo de 20 Kg. A continuación se presenta una imagen con la estructura antes del impacto 
y su correspondiente luego de que el péndulo haya impactado con la misma. 
Atenuador antes de ser impactado y posterior al mismo. 
Para poder comparar en ensayo con el análisis numérico se utilizan diferentes 
imágenes tomadas a iguales intervalos de tiempo. 
A continuación se presenta la secuencia de impacto del ensayo desde el momento en 
que el péndulo entra en contacto con el atenuador hasta el instante en que la velocidad del 
péndulo es nula. 
Secuencia de imágenes del impacto 
 El tiempo total de impacto obtenido en el ensayo, desde que el péndulo entra en 
contacto con el atenuador hasta que se detiene, fue de 65 ms. 
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2015 - Año Internacional de la Luz23 Departamento de Aeronáutica
Resultados numéricos: 
Mediante el análisis del impacto por medio del modelo de elementos finitos se obtienen 
los datos de aceleración y velocidad en el nodo central del péndulo desde el comienzo del 
impacto hasta el final del colapso de la estructura. Los cuales se presentan a continuación. 
Curvas de aceleración velocidad y fuerza obtenidas en las simulaciones 
A continuación se presentan algunas imágenes del atenuador una vez finalizado el 
impacto en el análisis. 
Atenuador luego de finalizado el análisis 
 A continuación se presenta la secuencia de imágenes de impacto en el modelo 
numérico en el mismo lapso de tiempo que las imágenes tomadas en el ensayo. 
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2015 - Año Internacional de la Luz24 Departamento de Aeronáutica
Impacto progresivo en el modelo 
 El tiempo total de impacto del modelo, desde que el péndulo entra en contacto con el 
atenuador hasta que se detiene, fue de 69 ms. 
Contraste ensayo vs. modelo FEM para los péndulos con diferentes masas 
 A continuación se presentan las imágenes de los impactos para las diferentes masas 
del péndulo. Estas corresponden a 20Kg, 30Kg y 40Kg. 
              Péndulo de 20 Kg               Péndulo de 30 Kg                Péndulo de 40 Kg. 
CONCLUSIONES 
 En la realización de los  ensayos  y simulaciones se observa que la respuesta del 
modelo en estudio es bastante buena desde el punto de vista de las deformaciones que 
aparecen durante el impacto y posterior al mismo, en cuanto a la respuesta dinámica en todos 
los casos para distintas masas se observó que  los modelos planteados representan la realidad 
con bastante exactitud. Algunas variaciones se pueden deber a imperfecciones tanto en la 
fabricación de los componentes o en idealizaciones hechas en el modelo. 
 Debido a los pobres resultados obtenidos durante los ensayos en cuanto a adquisición 
de valores de cargas y aceleraciones, se planteara una metodología para la adquisición de 
datos en forma correcta, próximo paso en este trabajo. 
REFERENCIAS 
[1] Abaqus/CAE user´s manual y Abaqus theory manual (versin 6.8), año 2008 
[2] Formula SAE Rules,2013 


Diseño y validación de sistema de atenuación de impacto mediante estructura colapsable

SEDICI - Repositorio de la UNLP

Servicio de Difusión de la Creación Intelectual

3ras Jornadas ITE -  2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP2015 - Año Internacional de la Luz19 Departamento de AeronáuticaDISEÑO Y VALIDACION DE SISTEMA DE ATENUACION DE IMPACTO MEDIANTE ESTRUCTURA COLAPSABLE Matías Menghini, Luis Mariano Mundo, Damián Leandro Tamburi UID – GEMA, Departamento de Aeronáutica, Facultad de Ingeniería de La Plata Calle 48 y 116 La Plata. CP 1900. Contacto: matias.menghini@ing.unlp.edu.ar INTRODUCCIÓN En los últimos años,  se han propuesto muchos diseños exitosos de atenuador de impactos utilizando diferentes materiales y  geometrías. Los cuales son diseñados con el propósito de absorber la mayor cantidad de energía en un choque mediante una combinación entre deformación plástica y colapso, disminuyendo los esfuerzos que son trasmitidos a la estructura principal del vehículo y las consecuentes aceleraciones sobre el piloto.  Los materiales y geometrías utilizadas para este tipo de estructuras abarcan un amplio espectro, desde estructuras realizadas en materiales ferrosos y no ferrosos, hasta materiales compuestos de altas prestaciones como fibra de carbono y Kevlar, siendo las geometrías de gran variedad y complejidad, dependiendo de los materiales utilizados y la tecnología para  su correspondiente construcción. Por consiguiente en este trabajo se estudiará una estructura colapsable construida en aluminio y de geometrías sencillas, ya que lo que se busca es obtener resultados de simulaciones y ensayos los cuales permitan validar las simulaciones realizadas. Para ello inicialmente se establecerá cual es el diseño más adecuado desde el punto de vista de la performance del mismo así como de su complejidad constructiva. Definida la estructura,  se procederá a  abarcar dos ramas principales, de las cuales inicialmente se establecerá un diseño numérico con sus correspondientes simulaciones utilizando el software de elementos finitos Abaqus, para posteriormente realizar, la  construcción y  ensayo  de la estructura en estudio. DESARROLLO DEL TRABAJO Selección de diseños   Según el reglamento de la Fórmula SAE, para la que se pretende diseñar el elemento absolvedor de impacto, se requiere frenar una masa de 300 Kg que impacta a una velocidad de 7 m/s verificando no superar una aceleración pico de 40 gs y una media de 20 gs.  Como ya se mencionó la filosofía de diseño abarca distintos materiales y geometrías posiblemente utilizables. En este caso se optó por utilizar aluminio como material y variar la geometría para poder encontrar la que cumpla con el requerimiento. Por consiguiente se procedió a realizar distintos modelos de elementos finitos variando la geometría para poder hallar cuantitativamente cual es el diseño que cumpla de la mejor manera los requerimientos.  A continuación se presentan varias de las alternativas analizadas. Configuración 1: Espesor de los tubos: 0,5mm. 3ras Jornadas ITE -  2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP2015 - Año Internacional de la Luz20 Departamento de AeronáuticaConfiguración 2: Espesor de la chapa: 0,5mm. Configuración 3: Espesor de la chapas: 0,3mm. Configuración 4: Espesor de la chapas: 0,3mm. Configuración 5: Espesor de la chapas: 0,3mm.               Finalmente, con el objetivo de verificar el modelo FEM respecto del ensayo se optó por utilizar la configuración 2 debido a que es la más sencilla de fabricar.  Posteriormente se realizó la simulación para la condición de ensayo, la cual consiste en modelar el impacto de un péndulo con una determinada masa, el cual se detalla en las siguientes secciones. Cabe destacar que, tanto la simulación como el ensayo mencionados en los siguientes apartados se realizan sobre un absolvedor a escala del determinado para el impacto del vehículo de formula SAE ya que lo que pretende en estos primeros análisis es validar el modelo de elementos finitos realizado frente al respectivo ensayo. Metodología Metodología del cálculo numérico   Se presenta el modelo de elementos finitos confeccionado para simular la situación de ensayo, este tiene en cuenta el atenuador de impacto junto con la estructura que lo contiene y un péndulo de 20 Kg que impactará sobre estos. A continuación se detallan las consideraciones tenidas en cuenta en el modelado del problema. 3ras Jornadas ITE -  2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP2015 - Año Internacional de la Luz21 Departamento de AeronáuticaGeometría  Como ya se mencionó consiste en el atenuador en estudio, el cual fue modelado utilizando elementos placa por su característica de espesor delgado, la estructura sobre la cual se encuentra vinculado el atenuador, la cual se modeló utilizando elementos viga ya que consiste en una estructura de barras. Y el péndulo de impacto el cual fue modelado utilizando elementos viga para el brazo y una placa rígida discreta la cual impacta con el atenuador. Las siguientes figuras presentan la geometría del modelo. Geometría del modelo Tipo de análisis  Como el caso en estudio tiene en cuenta fenómenos dinámicos y posee una alta no linealidad en la geometría a medida que progresa el impacto del péndulo se opta por realizar un análisis del tipo "Dinámico Explícito" en el que se tiene un período de tiempo de 0,2 segundos de análisis. Las carga utilizadas solo son la aceleración de la gravedad para el péndulo.  Las condiciones de borde utilizadas en el modelo son de restricción de todos los grados de libertad en los nudos posteriores de la estructura soporte y restricción de todos los grados de libertad con excepción de la rotación alrededor del eje x para el anclaje del péndulo. A su vez se colocó una velocidad inicial en el centro de la placa de impacto de 4,95 m/s, equivalente a la que tendría si se soltara desde una altura de 1,2 metros de altura. Metodología experimental  El ensayo consistió en impactar la estructura en estudio mediante el sistema pendulante, para evaluar la respuesta de la estructura, el sistema utilizado consistió en un péndulo de 1,2 metro de longitud, el cual se liberó en todos los casos  desde una altura de 1,2 metros. Al sistema se lo instrumentó mediante el uso de acelerómetros y celdas de cargas, a su vez se filmó mediante el uso de cámaras de alta velocidad a una  tasa de  420FPS y 1000 FPS. 3ras Jornadas ITE -  2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP2015 - Año Internacional de la Luz22 Departamento de Aeronáutica Los impactos se realizaron con diferentes masas que variaron desde los 40 Kg hasta los 20 Kg, esta variación en la masa del péndulo se implementó para ver la respuesta del atenuador en estudio y de la estructura soporte donde se encontraba vinculado dicho atenuador. Dispositivo de impacto. RESULTADOSResultados Experimentales  La posibilidad de poder utilizar una cámara de alta velocidad facilita la tarea de comparar el comportamiento experimental de la estructura con el obtenido numéricamente con el modelo de elementos finitos.  Se analiza el ensayo en el cual se utiliza como elemento de impacto una masa del péndulo de 20 Kg. A continuación se presenta una imagen con la estructura antes del impacto y su correspondiente luego de que el péndulo haya impactado con la misma. Atenuador antes de ser impactado y posterior al mismo. Para poder comparar en ensayo con el análisis numérico se utilizan diferentes imágenes tomadas a iguales intervalos de tiempo. A continuación se presenta la secuencia de impacto del ensayo desde el momento en que el péndulo entra en contacto con el atenuador hasta el instante en que la velocidad del péndulo es nula. Secuencia de imágenes del impacto  El tiempo total de impacto obtenido en el ensayo, desde que el péndulo entra en contacto con el atenuador hasta que se detiene, fue de 65 ms. 3ras Jornadas ITE -  2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP2015 - Año Internacional de la Luz23 Departamento de AeronáuticaResultados numéricos: Mediante el análisis del impacto por medio del modelo de elementos finitos se obtienen los datos de aceleración y velocidad en el nodo central del péndulo desde el comienzo del impacto hasta el final del colapso de la estructura. Los cuales se presentan a continuación. Curvas de aceleración velocidad y fuerza obtenidas en las simulaciones A continuación se presentan algunas imágenes del atenuador una vez finalizado el impacto en el análisis. Atenuador luego de finalizado el análisis  A continuación se presenta la secuencia de imágenes de impacto en el modelo numérico en el mismo lapso de tiempo que las imágenes tomadas en el ensayo. 3ras Jornadas ITE -  2015 -Facultad de Ingeniería - UNLP2015 - Año Internacional de la Luz24 Departamento de AeronáuticaImpacto progresivo en el modelo  El tiempo total de impacto del modelo, desde que el péndulo entra en contacto con el atenuador hasta que se detiene, fue de 69 ms. Contraste ensayo vs. modelo FEM para los péndulos con diferentes masas  A continuación se presentan las imágenes de los impactos para las diferentes masas del péndulo. Estas corresponden a 20Kg, 30Kg y 40Kg.               Péndulo de 20 Kg               Péndulo de 30 Kg                Péndulo de 40 Kg. CONCLUSIONES  En la realización de los  ensayos  y simulaciones se observa que la respuesta del modelo en estudio es bastante buena desde el punto de vista de las deformaciones que aparecen durante el impacto y posterior al mismo, en cuanto a la respuesta dinámica en todos los casos para distintas masas se observó que  los modelos planteados representan la realidad con bastante exactitud. Algunas variaciones se pueden deber a imperfecciones tanto en la fabricación de los componentes o en idealizaciones hechas en el modelo.  Debido a los pobres resultados obtenidos durante los ensayos en cuanto a adquisición de valores de cargas y aceleraciones, se planteara una metodología para la adquisición de datos en forma correcta, próximo paso en este trabajo. REFERENCIAS [1] Abaqus/CAE user´s manual y Abaqus theory manual (versin 6.8), año 2008 [2] Formula SAE Rules,2013 

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/47361/Documento_completo.pdf?sequence=1

Diseño y validación de sistema de atenuación de impacto mediante estructura colapsable

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